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Neurobiologische Grundlagen der Aufmerksamkeit: “Über die Freiheit der Wahl ”

2000 . Sprache – Stimme – Gehör (Zeitschrift für Kommunikationsstörungen), 24, 49-56

Robert D. Oades and Bernd Röpcke

Universitätsklinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Kindes- und Jugendalters,

Virchowstr. 174, 45147 Essen, Germany

Zusammenfassung: Einleitung: Die Aufmerksamkeit gilt als selektiver Aspekt der Wahrnehmung. Diese Selektion

repräsentiert eine Auswahl, die meist - aber nicht immer - begrenzt wird von der Art der

eintreffenden Information, der initialen Motivation und der angestrebten Ziele. Unter den

verschiedenenen möglichen Differenzierungen dieses Konzeptes hat die Unterscheidung von

automatischen und kontrollierten Prozessen, die eng mit serieller und paralleler Verarbeitungen

verbunden sind, eine besondere Bedeutung. Neurophysiologie: Die selektive Aufmerksamkeit für

einen bestimmten Reiz beinhaltet, daß ein Teil der Information weitergeleitet wird zur Verarbeitung.

Diese Weiterleitung erfordert ein synchronisiertes Feuern der relevanten neuronalen Bahnen, das durch ein EEG ermittelt werden kann. Bildet man die durch einen Stimulus ausgelösten EEG -

Durchschnittswerte (Ereigniskorrelierte Potentiale), dann sind Erregungs- und Hemmungs-

komponenten zu erkennen, die sich den verschiedenen Prozeßstadien vom Erkennen eines Signales

über die Hemmung interferierender Prozesse bis zur Kategorisierung des Reizes zuordnen lassen. Bei

einer Abweichung von Stimuli werden negative Potentiale (Erregung) abgeleitet (automatische

Prozesse) und die zugehörigen Verarbeitungsspuren (kontrollierte Prozesse) dargestellt. Gamma-,

Beta- und Thetawellen im EEG reflektieren differenziert eine “binding of stimulus features” in nähere

und entferntere Hirnbereiche. Neurotransmitterfunktion: Die chemische Kodierung in dem

neuronalen System erfolgt mit den biogenen aminen Transmittern. Dies erlaubt eine Betrachtung der

einzelnen Verarbeitungsschritte, die zur Einordnung der Reize erforderlich sind. Die Kontrolle der Reizstärke erfolgt mit Serotonin, Noradrenalin steuert die Einstellung und Dopamin ist zuständig für

die Umschaltung der Aufmerksamkeit. Die Acetylcholin-Aktivität scheint bei salienten

Reizeigenschaften eine automatische Verarbeitung zu fördern. Anatomie der Aufmerksamkeit:

Funktionelle Kernspin-Resonanz-Bildgebungsverfahren von Hirnarealen, die bei Aufmerksamkeits-

prozessen aktiviert werden, zeigen, daß es “Epizentren” von Aufmerksamkeits-Funktionen gibt, die

variablen diffus verteilten Aktivitätsmustern übergeordnet sind. Die Frontalregionen üben eine

exekutive Kontrolle aus, werden jedoch in Konfliktfällen der Informationsverarbeitungen und bei

Fehlermeldungen durch cinguläre Aktivitäten unterstützt. Teile der Parietallappen links und rechts

registrieren zeitliche und räumliche Aspekte von Ereignissen, deren Relevanz durch Mustervergleiche

im Temporallappen bestimmt werden. Die Auswahl der für eine adäquate Reaktion erforderlichen Informationen – selektive Aufmerksamkeit – erfordert daher ein Netzwerk koordinierter Reaktionen

unterschiedlicher Hirnareale, die auf elementare Steuerungsmechanismen des Hirnstammes zur

Klassifizierung von Informationen aufbaut.

Schlüssel-Wörter

Aufmerksamkeit, Ereignis-korrelierte Potentiale, Monoamine, Frontallappen, Parietallappen,

Temporallappen

2

English abstract

Introduction: Attention is viewed as the selective aspect of perception. This selective process is

represented as a choice, often but not always constrained by the initial possibilities, motivation and

adaptive aims. Fundamental among numerous useful divisions of the concept, is the differentiation of automatic and controlled attention that largely incur serial and parallel processing of information.

Neurophysiology: Selective attention to a stimulus implies that some information is passed on for

further processing – this passage depends on the synchronous firing of the relevant neuronal

pathways. The EEG sums these and a look at the average after an event shows excitatory and

inhibitory components (event-related potentials, ERPs) that relate to the processing stages from

registration, inhibiting interference from other processes and stimulus categorisation. Negativities

(excitation) can be recorded for deviant detection (automatic) and attended traces (controlled

processing). Gamma, beta and theta frequency bands in the EEG reflect differentially the binding of

related features in nearer and further regions of function. Neurotransmitter Roles: The chemical

coding of these neural systems with the biogenic amine transmitters allows for a division of labour in the mechanisms necessary for "sorting” information. These are described in terms of volume control

(serotonin), tuning (noradrenaline) and switching (dopamine). The effect of acetylcholine seems to

reflect a mechanism by which a stimulus by means of its salience captures automatic processing. An Anatomy of Attention: Functional magnetic imaging of brain regions activated during attentional

processing show that there are ‘epicentres’ of attentional function superimposed on variable

diffusely distributed activity patterns. Frontal regions exert an executive role, facilitated by cingulate

activity in conflict and error-control. Parietal loci on the left and right register temporal and spatial

identification of events whose relevance can be assessed by comparator mechanisms in the temporal

lobe. Choices of what is relevant – selective attention - for the adaptive organisation of response thus

reflect a concerted effort within a network of heteromodal cortices based on the basic mechanisms for sorting information arising out of the brainstem.

Key words:

Attention, Event-related potentials, Monoamines, Frontal cortex, Parietal cortex, Temporal cortex

3

1. Einleitung Können sie mit ihren fünf, sechs oder sieben Sinnen alles um sich herum ununterbrochen

wahrnehmen? Können sie alle Informationen

eines Augenblickes gleichzeitig auffangen und

haben sie einen sofortigen Zugang zu allen

Verhaltens- sowie physiologischen Reaktionen

in ihrem Repertoire? Wenn nicht, dann muß

es Mechanismen geben, mit denen sie eine

Auswahl treffen. ‘Aufmerksamkeit’ ist der

Name für die Art der Prozesse, die die

Auswahl steuern und die Prioritäten für die unterschiedlichen mentalen oder externen

Ereignisse festlegen. Es ist der selektive Anteil

der Wahrnehmungsprozesse34.

Bis zu einem gewissen Grade hilft es, wach zu

sein, um eine Auswahl zu treffen.

Wachsamkeit erleichtet bewußte, kontroll-

ierte Entscheidungen. Allerdings, daß man

auch nachts fähig ist, auf ein plötzliches

„Rumms“ angemessen zu reagieren, deutet darauf hin, daß es auch automatische

Entscheidungsproz-esse gibt. Es kann auch

eine kontrollierte Auswahl, die durch

ständiges Wiederholen erlernt wurde,

automatisiert werden. Das kennen sie vom

Arbeits- oder Schulweg. Das erste Mal muß

man Schritt für Schritt unter vielen

Möglichkeiten die richtigen Entscheid-ungen

treffen, um den richtige Weg zu finden, was

sehr mühsam sein kann. Mit einiger Übung finden sie den Weg leichter und mit der Zeit

können sie sich auf ihrem Weg zur Schule oder

zur Arbeit mit ganz anderen Dingen

beschäftigen, die sie parallel zur Suche nach

dem richtigen Weg verarbeiten können.

Manchmal können sie sehr lange ‘vigilant’

bleiben, weil sie die Erwartung haben, daß

etwas passieren wird..Vielleicht warten sie auf

ihre Kinder, die zu spät von der Schule zurück-kommen. Wenn dann schließlich die

Türkglocke läutet, zucken sie in einer

Überreaktion zusammen. Im Moment vor dem

Läuten der Türglocke waren sie sehr

konzentriert, etwa darauf, was passiert sein könnte oder sie haben auf das Ende der Straße

gestarrt, wo der Schulbus erscheinen sollte.

Dies sind alles Eigenschaften der Dauer-

Aufmerksamkeit (Abb. 1). Eine beobachtender

Psychologe hätte diese Zeit der Konzentration

mit dem Begriff ‘selektive Aufmerksamkeit’

versehen. Sie haben Resourcen (z.B.

Anstrengung) und informationsverarbeitende

Kanäle (z.B. visuelle Wahrnehmung) ausgewählt. Sie haben ihre Aufmerksamkeit

fokussiert, die Verhaltensmöglichkeiten

eingegrenzt und zusätzlich ablenkende Stimuli

ausgeschlossen (z.B. daß der Hund gerade

jetzt rausgehen wollte). Natürlich, wenn sie

mit der Situation vertraut gewesen wären,

hätten sie ihr Aufmerksamkeit aufteilen

können. Sie hätten ihre Resourcen unter den

konkurrierenden Stimuli verteilt und die Tür

für ihren Hund geöffnet. Andererseits ist es klar, daß die Möglichkeiten zur Aufspaltung

der Aufmerksamkeit manchmal begrenzt sind.

Wenn ihre Kinder mit vielen lauten Freunden

da sind, kann es passieren, daß die Kapazität,

aus mehreren Möglichkeiten eine Auswahl zu

treffen, sehr begrenzt erscheint.

Situationen, in denen es schwierig ist, ein

Auswahl zu treffen, können dazu führen, daß

ein Reiz mit ansonsten geringer Priorität Zugang zu den informationsverarbeitenden

Kanälen gewinnt. Das könnte eine Situationen

der Überreizung sein (alle Kinder reden

gleichzeitig durcheinander) oder durch eine

Unterforderung entstehen (Lange-weile).

Wenn dieser Reiz mit geringer Priorität ihr

Verhalten bestimmt, wirkt das auf einen

Beobachter, als wären sie impulsiv. Das

wiederum könnte konstruktiv sein, “Jetzt

gehen wir alle hinunter zur Eisdiele”, oder auch weniger konstruktiv, wenn sie z.B. auf

den Tisch hauen und laut herumschreien.

4

Wie betrachtet eine Biopsychologe das

neuronale System des Gehirns, daß die

Auswahl externer und interner Informationen

organisiert und unsere Reaktionen steuert.

Wir haben jetzt eine Reihe von deskriptiven Kategorien für die Betrachtung der

Aufmerksamkeit benannt (Abb. 1). Dies ist

eine sogenannte ‘Top-Down’ Betrachtungs-

weise. Wenn wir uns jetzt von unten nach

oben (Bottom-Up) vorarbeiten, werden wir

sehen, wie sich die zugrunde liegenden

einzelnen Erregungsmuster in den

Nervenzellen mit einem Puzzle vergleichbar zu

Funktionsmustern zusammenfügen (Neuro-

physiologie der selektiven Aufmerksamkeit). Wie Farbe in einem Puzzle wirken die

einzelnen Neuronen in Gruppen zusammen,

um Informationen weiterzuleiten, indem sie

bestimmte chemische Überträgerstoffe

nutzen (chemische Kodierung von Funktionen:

Die Neurotransmitter). Die Funktionen

müssen geordnet und in ihren unter-

schiedlichen Aufgaben mit-einander koord-

iniert werden. Obwohl viele Hirnregionen

daran beteiligt sind, gibt es doch “Epizentren” die für die Integration und die Organisation

der zugrunde liegenden Phänomene der Auf-

merksamkeit und der Selektion zuständig

sind20. Dies wird im letzten Abschnitt

„Anatomie der Aufmerk-samkeit“ besprochen.

Das Verständnis für diese Abläufe kann bei der

Interpretation offensichtlicher Störungen der

Aufmerksamkeit helfen und damit

Handlungsmöglichkeiten zur Verfügung

stellen, wenn dies notwendig erscheint. 2. Neurophysiologie der selektiven Aufmerksamkeit: Akustische -, taktile -, und visuelle Stimuli

werden über sensorische Bahnen in das

Zentralnervensystem (ZNS) geleitet. Wie bei

einem Staffellauf werden die Informationen

über verschiedene Stationen (Nuklei) im

Hirnstamm und dem Thalamus weitergeleitet

bis hinauf in die primäre sensorische Hirn-

rinde. Ein Vorteil der Umleitung über die Zwischenstationen besteht darin, daß

verwandte Hirnbereiche informiert werden

können (Abb. 2). Über sogenannte

unspezifische Thalamuskerne können z. B.

Bereiche der Hirnrinde aktiviert werden, die

nicht unmittelbar zur primären Verarbeitung

erforderlich sind aber zur weitergehenden

Analyse der Stimuli beitragen können. Auf die

Bedeutung solcher allgemeinen Wachsamkeit

(arousal) wurde in der Einleitung bereits hingewiesen. Diese Kerne können aber auch

eine Rückkoppelungsschleife bilden, um z.B.

den Effekt unerwünschter Stimuli zu

vermindern.

Die einzelnen Verarbeitungsschritte kann man

nach wiederholten Reizen durch eine

Mittelwertbildung der EEG-Ableitungen

erkennen. Es ergeben sich sogenannte

ereignis-korrelierte Potent-iale (EKP’s), die zu einer bestimmten Zeit nach dem Stimulus

(Latenz) als positive und negative

Auslenkungen zu erkennen sind. Eine solche

Analyse zeigt, daß die Aufmerksamkeit (z.B.

Konzentration) bereits nach 20 ms die Größe

dieser EKPs beeinflussen kann15. Zu diesem

Zeitpunkt kreuzt die aufsteigende Information

gerade den Hirnstamm.

Die Informationen stecken im Impulsfeuerungsmuster der individuellen

Neuronen, die einen Nukleus veranlassen, den

Übertragungsweg zum nächsten Nukleus

freizugeben. Im Ruhestatus feuert das Neuron

gelegentlich. Der Elektrophysiologe sieht

5

jeweils einzelne ‘Spikes’ auf seinem Bildshirm,

deren Frequenz mit der Erregung zunimmt

(‘train of spikes’). Dieses ‘Geräusch’ nimmt mit

steigender Wachsamkeit und Arousal zu. Die

Art des Reizes wird kodiert durch den

zeitlichen Verlauf des Feurungsmusters aber

die Effizienz der Weiterleitung über den

nächsten Spalt (Synapse) steigt mit der Zahl

der Nervenzellen, die gleichzeitig feuern. Die Synchronizität stellt sicher, daß das Signal (die

Erregung) nicht in dem ‘Geräusch’ verloren

geht. Dieser Mechanismus wird schon seit

längerem vermutet, konnte jedoch erst in

letzter Zeit durch Ableitungen bei Affen

bewiesen werden. Steinmetz und Kollegen33

von der Johns Hopkins Universität haben die

Schwierigkeiten der gleichzeitigen Ableitung

einer großen Anzahl von Neuronen

überwunden. Beim Erlernen eines Buch-stabens mit dem Tastsinn nahm die

Synchronizität zuerst zu und dann ab. Aber der

entscheidende Befund konnte erhoben

werden, als die Affen den entsprechenden

Buchstaben auf einem Bildshirm erkennen

mußten. Ungefähr ein Drittel der synchron

feuernden Neuronen wechselten das Muster

der Synchronzität, um die visuelle Dimension

einzubeziehen, offensichtlich ohne ihre

Feuerungsrate zu ändern. Damit wird eindeutig belegt, daß EEG – Ableitungen,

fundiert auf elektrische Schwingungen,

geeignet sind, die Umschaltung der

Aufmerksamkeit darzustellen.

Das EEG zeigt die Aktivität mehrerer Gruppen

von Erregungsgeneratoren und Nuklei und

eine große Zahl von Neuronen, die sychron

aktiv sind. Diese Synchronizität umfaßt

verschiedene Frequenzbereiche, die

bezeichnet werden als Theta (3.5-7 Hz ), Alpha

(8-13 Hz), Beta (14-30 Hz) und Gamma, (30-80

Hz). Die EKPs sind “übergeordnete Muster”

dieser evozierter Schwingungen.

Die Ankunft des Signales im Thalamus ist mit

einem kleinen „Stop-Signal“ verbunden,

welches im EKP als P50 (Latenz ca 50 ms) gekennzeichnet ist. Damit wird dem

sensorischen Kortex die Ankunft der neuen

Information signalisiert. Die Registrierung

selbst wird durch die exzitorische N100

angezeigt (ca. 100 ms nach dem Stimulus). Die

Amplitude der N100 kann geringfügig erhöht

sein, wenn der Reiz eine besondere

Bedeutung hat, ob er weiter verarbeitet wird,

hängt aber von einem nachfolgenden

„Hemmungs-Signal“ ab, ablesbar an der P200, das den Weg freihält von irrelevanten,

konkurrierenden Einflüssen1,25. Erst jetzt, ca

200 ms nach dem „Ereignis“ überquert die

Information die Schwelle zur bewußten,

kontrollierten Verarbeitung und erst jetzt

kann der Reiz kategorisiert werden zur

Auswahl einer geeigneten Reaktion.

Die Funktion der P50 kann gut an dem

Konzept der „sensory gating“ (sensorische Bahnung) gezeigt werden. Ein Klick-Geräusch

ca 100 ms vor einem zweiten akustischen

Signal reduziert die Amplitude der P50, wie sie

sonst vom zweiten Signal ausgelöst würde.

Eine plausible Erklärung für dieses eher

unerwartete Phänomen besteht darin, daß

diese Reaktion vor einer Reizüberflutung

schützt. Bei vielen Patienten mit einer

Schizophrenie fehlt diese Reaktion und damit

auch dieser Schutz. Der Effekt der sensorischen Bahnung kann sich jedoch

wieder ausbilden, wenn die Negativsymptome

der Schizophrenie abnehmen. Das wiederum

spricht für die Hypothese, daß die

Negativsymptomatik ein Schutzverhalten

(Coping) gegen eine Überreizung bildet5.

Anders verhält es sich bei der P200. Ein Teil

der Kinder mit einem hyperkinetischen

Syndrom (ADHD) oder mit einem TIC-Syndrom zeigen auch dann eine größere P2 Amplitude

als normal, wenn diese Reize keine besondere

Bedeutung für ihre derzeitige Tätigkeit

haben25. Dies spricht dafür, daß der Grund für

6

die Impulsivität der Kinder in dieser frühen

Phase der Informationsverarbeitung zu suchen

ist. Umgekehrt reagieren Patienten mit einer

Zwangsstörung nicht wie dieser Kinder, auf

neue triviale Reize, sondern stereotyp auf die

ehe bekannten Reizen. Erwartungsgemäß

tendiert ihre P2 zu einer relativ niedrigen

Amplitude27.

Eine der nützlichsten Prozeduren der

Elektrophysiologie und anderer bildge-bender

Verfahren zur Untersuchung

aufmerksamkeitsbezogener Phänomene ist

die Subtraktionsmethode. Subtrah-ieren wir

zum Beispiel die durchschnittlichen EKPs nach

üblichen Standard-Tönen von denen nach

seltenen davon “abweichenden” Tönen, dann

bleibt eine negative Auslenkung proportional

zur wahrgenommenen Abweichung (mismatch negativity, MMN). Diese Devianzwahr-

nehmung ist ein Vorbedingung für die

Beendigung des ‘scanning’ und des

Orientierungs-verhaltens (vgl. Abb. 1). Die

Tatsache, daß die Erregungsspitze nach

weniger als 200 ms auftritt und auch dann,

wenn der Proband mit anderen Dingen

beschäftigt ist, sehen wir als Hinweis auf einen

automatischen Verarbeitungsprozeß (der

allerdings über eine Rückkoppelung durch Konzentration beeinflußt werden kann). Mit

einem ähnlichen Verfahren kann man eine

„Aufmerksamkeitsspur“ identifizieren

(Negative difference, Nd). Man subtrahiert die

durchschnittlichen EKP’s nach abweichenden

aber irrelevanten Tönen von denen nach

denselben Tönen, die als Zielreiz für eine

Unterscheidungsaufgabe definiert wurden.

Die resultierende Negativität stellt nichts

anderes dar, als die neu gewonnene assoziative Stärke des Reizes. Da die Nd meist

nach der MMN auftritt und auf eine aktive

Unterscheidungsaufgabe hin erfolgt, liegt es

nahe, daß es sich hierbei um eine bewußte,

kontrollierte Unterscheidung handelt. Eine

Reihe von elektrophysiologischen Untersuch-

ungen hat gezeigt, daß die Erregungsquelle

der MMN in der akustischen, temporalen

Hirnrinde liegt, daß sie aber durch eine

Frontallappenaktivität beeinflußt wird. Der Nd Generator für kontrollierte Prozesse hingegen

liegt in der Frontallhirnrinde selbst. Man sieht,

daß MMN und Nd gute psychophysiologische

Maße (Marker) für den Übergang von

automatischer zu kontrollierter Verarbeitung

darstellen und die zunehmende Interaktion

zwischen frontaler und temporaler Hirn-

aktivität abbilden. Sie sind nicht nur gut

geeignet zur Untersuchung der Pathologie der

Aufmerksamkeit sondern auch zur

Beschreibung von normalen Entwicklungs-

prozessen der Informations-verarbeitung.

Abbildung 3 zeigt, wie sich die Verteilung der MMN bei Erwachsenen anterior und bilateral

bei 14-jährigen entwickelt (nicht jedoch bei

Kindern mit 10 Jahren)1. Die reife Verteilung

der Nd tritt erst 2-3 Jahre später auf26. Dies

spiegelt die spätere Reifung der frontalen

Interaktionen und Funktionen wider.

Ein Weg zum besseren Verständnis für die

Zusammenhänge zwischen den neuronalen

Grundlagen der Aufmerksamkeit und den psychologischen Beschreibungen von

Aufmerksamkeitsphänomenen besteht in der

Korrelation zwischen ERPs und neuropsychol-

ogischen Funktionen. Es gibt zum Beispiel

einen Zusammenhang zwischen der N2-

Komponente (oder N2b bei einem Aufgabe-

relevanten Reiz) nach ca 240 ms und der

Fähigkeit der Stimuluskategorisierung. Die N2

Latenz korreliert negativ mit der Leistung beim

„Zahlennachsprechen“ und, besonders bei schizophrenen Patienten, mit Störungen der

Aufmerksamkeit und des Denkens32. Ein

anderer Weg zur Beschreibung von

Zusammenhängen zwischen neurobiolo-

gischen Grundlagen und Aufmerksamkeits-

prozessen besteht darin, ereignis-korrelierte

Feuerungssyn-chronizität mit Aufmerksam-

keitsfunktionen in Beziehung zu setzen.

Gamma-Schwingungen (25-60 Hz) gehen

einher mit der Registrierung von Reizeigenschaften innerhalb einer

Neuronensäule der visuellen Hirnrinde. Aber

die Gamma-Aktivität ist auch für die

Integration getrennter Hirnrindenareale

verantwortlich und damit für das “binding”

von Stimulus-Eigenschaften, wie wir es oben

diskutiert habe (review4). Auf diese Weise

könnten wir die Mechanismen der Integration

und der Zusammenarbeit zwischen den

deutlich unterscheidbaren parallelen und seriellen Prozessen identifizieren35. Beta-

1 MMN bei hyperaktiven Kinder zeigt eine mangelhaften Entwicklung an der recheten Seite25.

7

Schwingungen (12-20 Hz) folgen auf eine

sensorisch evozierte Gamma-Aktivität und

erlangen Bedeutung bei der multi-modalen

Integration, wie sie zum Beispiel zwischen

Parietal- und Temporallappen notwendig ist17.

Langsamere ereignis-korrelierte Alphawellen

werden mit der Kurzzeitver-arbeitung im

Arbeitsgedächtnis und der Hemmung von

Interferenzen in Verbindung gebracht. Die Theta-Aktivität scheint hingegen typisch zu

sein für undeutliche Situationen, in denen das

Subjekt sucht, herumschaut, sich vielleicht

orientiert, also bei fehlenden oder

mangelhaften Informationen. Thetawellen

werden mit Interaktionen zwischen dem

Hippocampus und dem Frontallappen in

Zusammenhang gebracht4. Jetzt wird deutlich,

daß die Informationsverarbeitung in einzelne

Abschnitte aufgeteilt werden muß. Die

separate Aktivierung einzelner

Leitungsbahnen wird teilweise durch den differenzierten Gebrauch verschiedener

Neurotransmittersysteme erreicht.

Abb. 3

3. Neurotransmitterfunktionen Die biogenen Amine Dopamin (DA),

Noradrenalin (NA), Serotonin (5-HT) und

Acetylcholin (ACh) sind weit verbreitete

Neurotransmitter, deren Aktivierungszentren

jedoch im Hirnstamm liegen. Die bekannten

DA Projektionen beinhalten die nigrostriatale

Bahn mit den motorischen Funktionen und die

mesolimbischen und mesokortikalen Bahnen,

die eher mit kognitiven Funktionen assoziert

sind (Abb. 2). Die 5-HT Faser-Verteilung kann auch im Sinne von motorischen, limbischen

und kortikalen Funktionen beschrieben

werden. Berücksichtigt man jedoch ihre

Ursprungskerne, gibt es eine viel breitere

Überlappung der Terminalregionen als bei den

DA Systemen. Die NA und ACh Systeme

projizieren auf mehr als zwei Drittel des Gehirns, entspringen aber ganz

unterschiedlichen Hirnbereichen. NA

Verbindungen, die an den kognitiven

Funktionen beteiligt sind, enstammen alle

dem Locus coeruleus im Pons-Bereich. Die

ACh Verbindungen entspringen dem

Hirnstamm und verschiedenen subkortikalen

Kernen. [Die hemmenden und erregenden

Amino-Säuren GABA und Glutamat werden

hier aus Platzgründen nicht besprochen.]

Obwohl ACh seit seiner Entdeckung vor über 80

Jahren intensiv beforscht wird und obwohl

mittlerweile allgemein bekannt ist, daß ACh

8

eine wichtige Rolle bei den Gedächtnis- und

Lernproblemen der Alzheimerschen

Erkrankung spielt, gibt es immer noch

Schwierigkeiten in der Definition seiner

Funktion bei den kognitiven Prozessen. Wie

die anderen oben aufgelisteten biogenen

Amine kann auch die ACh-Aktivität das

“sensory gating” beeinflussen. Allerdings kann

der Antagonist Scopolamin die Amplitude der meisten EKPs verringern (z.B. N1, P2, N2 und

P3). Der Einfluß von Scopolamin reicht von der

frühen Wahrnehmung (Flicker-Verschmelz-

ung), über eine verlangsamte Orientierung bis

zu einer Beeinträchtigung der späteren

Prozesse der Dauer-Aufmerksamkeit und

einfacher Wiedererkennungsleistungen11. Es

stellt sich die Frage, was eigentlich durch eine

Verstärkung der ACh Aktvität (z.B. durch eine

Hemmung des Katabolismus) bewirkt wird. Bei der Messung der Dauer-Aufmerksamkeit

werden die Reaktionen beschleunigt. In einer

PET-Untersuchung koerrelierte die zerebrale

Durchblutung mit einer Aktivierung der

visuellen Hirnrinde, aber mit einer

Aktivitätsminderung des linken Temporall-

appens, der Cingularis und des rechten

Frontallappens13. Vielleicht haben Callaway

und seine Kollegen6 recht mit ihrer

Vermutung, die sie nach ERP Untersuchungen aufgestellt hatten. Sie nahmen an, daß ACh

bei der Entscheidung über eine automatische

Verarbeitung mitwirkt. Wenn dies in einer

frühen Phase der Verarbeitung geschieht,

dann werden die Aufforderungen an “höhere”

Fähigkeiten reduziert und die frontotemporale

Hirndurchblutung verringert.

In mehrfacher Hinsicht ist es für das

Verständnis der Neurotransmitter-funktionen sinnvoll, sich vorzustellen, wie der Empfang an

einem Radio gesteuert wird: vor allem die

Lautstärkeregelung, die Senderwahl und das

Umschalten auf einen anderen Kanal (volume-

control, tuning and switching). Vereinfacht

dargestellt übt das 5-HT eine physiologische

Hemmung aus, es betätigt sich als Bremse. Bei

einer Verringerung der Aktivität nimmt die

Bremswirkung ab und impulsive Reaktionen

zu. Umgekehrt ist eine Abnahme der Impulsivität von einer besseren Dauer-

Aufmerksamkeitsleist-ung begleitet. Allerdings

hängt eine erfolgreiche Lernleistung oft mit

einer reduzierten 5-HT Aktivität zusammen30.

Dies deutet auf eine Art Lautstärkeregelung

hin, wobei die Richtung der Kontrolle (Zu-

oder Abnahme) von der jeweiligen Zu- oder

Abnahme der Signale abhängt. Dazu sollen

zwei Beispiele angeführt werden. Die EKP-

Amplituden N1 und P2 sind sowohl beim

Menschen, als auch bei Katzen abhängig von

der Reizintensität. Je lauter der Ton, desto

größer ist die Amplitudendifferenz. Bei Katzen wird dieser Zusammenenhang verstärkt, wenn

ein 5-HT Agonist zu einer Abnahme der

neuronalen Feuereungs-rate führt. Umgekehrt

führt eine Zunahme der Feuerrate zu einer

Reduktion dieses Zusammenhanges16. Das

zweite Beispiel bezieht sich auf

Untersuchungen an Katzen. Durch eine

Reizung der Raphe-Kerne, die den Ursprung

der 5-HT Verbindungen im mesolimbischen

System bilden, wird eine Feuerung der Perforant-Bahn im Hippocampus ausgelöst.

Die Latenz dieses Effektes entspricht dem

Theta-Band und damit auch der Schwingung,

die für die ‘Langzeit-Potenzierung’ (ein Modell

des Lernens auf neuronaler Ebene) zuständig

ist. Ganz kleine Veränderungen im Theta-

Rhythmus können einerseits durch Raphe-

Aktivitäten ausglöst werden und erlauben

andererseits eine gute Vorhersage für die

Geschwindigkeit des assoziativen Lernens (review23). Diese Beispiele zeigen die

“Lautstärke-Regelung” bei der Arbeit. Das

Lernen kann damit unter bestimmten

Bedingungen gefördert werden. Unter

Umständen, zum Beispiel bei der Habituation

nach wiederholten Reizen, wird es aber auch

unterbrochen.

Die Funktion der NA geht eine Stufe weiter als

bei der Regelung der Lautstärke und besteht in einer Einstellung der Signale im Vergleich

zum Geräusch (‘tuning’). Das Konzept

beinhaltet, daß es in den durch die NA

Neuronen aktivierten Regionen zwei

verschiedene oder sogar mehrere

Einflußgrößen gibt, die um die Kontrolle der

Reaktionen konkurrieren. Die NA Aktivität

führt dazu, daß das Geräusch im Verhältnis

zum Signal reduziert (‘tuned out’) und das

Signal im Verhältnis zum Geräusch verstärkt wird (‘tuned in’). Diese Formulierung beruht

auf eine Untersuchungsreihe von Segal und

Bloom in den siebziger Jahren (review25). Sie

stellten fest, daß es möglich ist, den

9

Habituationseffekt hippocampaler Neuronen

durch eine Reizung der Ursprungsgebiete der

NA-Bahnen im Locus Coeruleus umzukehren.

Aber sie fanden auch heraus, daß nicht nur ein

schwächer werdendes Signal durch die

Verringerung der Geräuscheinflüsse

prägnanter wird, sondern die Verstärkung

eines Signales auch durch die Kombination des

Stimulus mit einer Reizung des Locus Coeruleus erreicht werden kann.

Eine zu starke oder zu geringe NA Aktivität

kann zu einen Beeinträchtigung der

Informationsverarbeitung führen. Zuviel führt

zu Stress. Zu wenig verstärkt einfach die

Hintergrundgeräusche durch die tonische

Aktivität der Locus Coeruleus. Wie Aston-

Jones und seine Kollegen2 bei der Leistung von

Affen in einem Dauer-Aufmerksamkeits-tests feststellen konnten, erhöht eine Zunahme der

Hintergrund-Aktivität von Coeruleus

Neuronen die Quote der „Falsch-Alarme“. Der

Vorteil unter anderen Bedingungen besteht

darin, daß das Erkundungsverhalten und das

‘scanning’ der AugenBewegungen zunimmt.

Aber es waren die phasischen Coeruleus

Aktivitäten, die für die Entscheidungsleistung

zuständig waren. Bei einer Zunahme der

Aktivität verbesserte sich die Konzentrations-fähigkeit und die Zahl der „Falsch-Alarme“ und

der Auslassungsfehler nahm ab.. Es gibt

Hinweise dafür, daß unter normalen

Bedingungen alpha-2 Rezeptormechanis-men

eine Rolle spielen, aber unter erhöhten Stress-

und Arousalbeding-ungen alpha-1 Rezeptor-

mechanismen für die unterschiedlichen

Reaktionen die NA-Funktionen zuständig

sind18. Der entscheidende Faktor ist, daß die

durch den NA-Mechanismus evozierte Aktivität, ob hemmend oder erregend,

zunehmen kann, während die spontane

Aktivität in derselben Neuron abnimmt – eine

Einstellung der Signal-Geräusch Relation2. Das

kann von den frühen Wahrnehmungs-

prozessen an bis hinauf zu den höheren

frontal-exekutiven Prozessen stattfinden18.

Die DA-Aktivität wurde herangezogen, um zu

beschreiben, wie die Wahrscheinlichkeit des Umschaltens bei zwei konkurrierenden

Einflußgrößen verändert wird22. Eine

vollständige Erklärung aller Transmitter-

funktionen muss ihre Interaktionen

miteinschliessen. Das kann nirgendwo besser

gezeigt werden, als bei der Umschaltung

zwischen alternativen Informationskanäl-en.

Zum Beispiel fördert die Reizung der DA D1

Rezeptoren die erregende Wirkungen von

Glutamat an den NMDA-Bindungsstellen, die

Stimulation der D2 Stellen verringert jedoch

die Effekte der Glutamattransmission an

anderen Bindungsstellen. Es kann sein, daß das Zusammen- und Gegen-Spiel der D1 und

D2 Rezeptoren die eigentliche Basis der mit

DA veranlassten Umschaltungen bildet. D1

Agonisten üben bei hyperpolarisierten

Membranen eine Hemmung aus, aber bei

depolarisierten Membranen können sie

evozierte Aktivitäten fördern7, 21. In ähnlicher

Weise üben D1 und D2 Stimulationen

gegensätzliche Effekte bei der Freisetzung von

NA aus36.

Man sollte sich daran erinnern, daß diese

Umschaltungseffekte in den für die

motorische Kontrolle zuständigen Regionen

(nigrostriatale Verbindungen) genauso zu

beobachten sind, wie bei den

Aufmerksamkeits-bezogenen Funktionen.

Dialysemessungen in Frontallappen und

Stammkernen von Rattengehirnen zeigen am

Anfang eines Lernprozesses bei den ersten Reizdarbietung eine vorübergehende

Freisetzung von DA (zeitgleich mit den ersten

Assoziationen), diese nimmt jedoch bei

weiteren Darbietungen wieder ab31,37.

Nachdem die Assoziationen einmal gelernt

wurden, ist die weitere automatische

Verarbeitung ohne Umschaltungen und damit

ohne die Freisetzung von DA Aktivität

durchführ-bar. Überraschenderweise konnten

wir diesen Effekt bei einfachen Unterscheid-ungsaufgaben am Menschen beobachten. Es

gab eine niedrige Ausscheidung von DA

Metaboliten bei den Probanden mit einer

stabilen Unterscheidung, aber eine erhöhte

Ausscheidung bei denen, die am schnellsten

eine Umschaltung (a reversal) erlernen

konnten24. Wie Coull9 kürzlich in ihrem

Übersichtsartikel bemerkt hat, spielt die DA-

Aktivität eine besonders wichtige Rolle bei

“Set-Shifts” und bei der exekutiven Kontrolle der Informationsverarbeitung. Bei einer

Reduktion der DA Aktivität durch ein

Neuroleptikum wird die fokussierte

Aufmerksamkeit gefördert und unerwünschte

10

Ablenkungen verringert. Während dies

geschrieben wurde, veröffentlichte die

Gruppe um von Cramon in Leipzig einen

Bericht über die Lokalisation der

hämodynamischen Aktivierungen (fMRT), die

mit multiplen Umschaltungen (reversals)

verbunden sind12. Besondere hämodynam-

ische Aktivitäten haben sie in den präfrontalen

und cingulären Lappen (bekannt für die mesokortikalen DA Innervationen) und im

intraparietalen Sulcus beobachtet. Im

nächsten Abschnitt werden wir sehen, daß

diese Gebiete bei der Auflösung

wiedersprüchlicher Informationen und bei der

Aufmerksamkeitsaufteilung beteiligt sind.

4. Eine Anatomie der Aufmerksamkeits-funktionen:

In dieser Diskussion elektrophysiol-ogischer Studien haben wir die Stufen der

zunehmenden Integration in der Informations-

verarbeitung besonders betont - dies sind

Elemente von Aufmerksamkeitsprozessen.

Die Diskussion der Transmittersysteme hat die

Aufgabenaufteilung in Komponenten der

Signalerkennung, -aufnahme und – verarbeit-

ung dargestellt. Hier möchten wir einige

Ergebnisse aus fMRT-Untersuchungen zu

hämodynamischen Reaktionen verschiedener Hirnregionen zusammenfassen, die mit

einigen Prozessen, wie sie in der Einleitung

dieses Artikels beschrieben wurden,

zusammenhängen.

Am Ende des letzten Abschnittes haben wir

auf die Hirnregionen hingewiesen, deren

Aktivierung mit Umschaltungen, definiert als

multiple „Aufgaben-reversals“, zusammen-

hängen. Erstaun-licherweise sind dies die gleichen Areale, die in einem weiteren Sinne

mit der sogenannten „Kovert-orientierung“

zusammenhängen. Bei diesen Aufgaben soll

der Proband ein Kreuz auf einem Bildschirm

fixieren, während auf der linken oder rechten

Seite Zielreize erscheinen können. Bei einer

Reihe von Durchgängen leuchten kurz vor

dem Zielreiz Hinweis-Reize auf (z.B. Pfeile oder

leichte Aufhellung der Zielgegend). Diese

Hinweise ziehen die Aufmerksamkeit auf sich und, wenn die Hinweise richtig sind, verkürzen

sie die Reaktionszeiten. Noch einmal: Die

angesprochenen Hirnbereiche sind der

laterale Frontallappen, die Bereiche um den

cingulären Gyrus und dem intraparietalen

Sulcus sowie der inferioren Temporallappen8,

14, 20 (Abb. 4). Während bei bewußter Lenkung

der Aufmerksamkeit die frontalen Augenfelder

aktiv sind, findet man bei periphär gelenkter

Aufmerksamkeit eher ein Signal im

posterioren Parietallappen. Zusätzlich fanden

Coull und Nobre10 bei temporalen Reizen (d.h.

Sequenz-darbietungen) eine Aktivierung auf der linken Hirnseite (intraparietaler Sulcus und

Kleinhirn).

Damit scheint der intraparietale Sulcus auf der

rechten Seite mit Treisman’s “Feature-

binding” Funktion im Zusammenhang zu

stehen, während eine Aktivierung auf der

linken Seite mit ‘erwartetem Reizmaterial’ in

Verbindung gebracht wird9. Weitere

Untersuchungen der Dauer-Aufmerksamkeit deuten auf eine Zunahme der Signalstärke im

rechten fronto-cingulären Bereich bei

steigender Aufgabenschwierigkeit hin

(anstrengungsfördernd). Sollten aber zusätz-

liche Reizanalysen notwendig sein, unter

Einbeziehung des Arbeitsgedächt-nisses, dann

wird eine fronto-cinguläre Aktivität an der

linken Seite deutlich3.

Aus solchen Untersuchungsergebnissen können einige Funktionen erkannt und

gewissen Hirnarealen zugeordnet werden. Für

die genaueren Einzelheiten sollten aber die

Originalberichte herangezogen werden. Eine

“exekutive Aufmerksamkeitsfunktion” wird

den Frontallappen, meistens den superioren

und lateralen Bereichen, beigemessen. Dies

gilt nicht nur für die visuelle Modalität, aber

bei visuellen Reizen werden die frontalen

Augenfelder miteinbezogen und die beiden extrem unterschiedlichen Reaktionen von

“Foveation” und “Scanning” gefördert29. Der

cinguläre Gyrus ist aktiv, wenn Anstrengung

notwendig ist. Das sollte nicht in einem zu

engen Sinne verstanden werden. Der

cinguläre Bereich ist in Konfliktsituationen

aktiv, ob dies nun die Bedeutung der

semantischen gegenüber der perzeptuellen

Information im Stroop-Test betrifft oder eine

Re-Klassifizierung von Informationen bei Fehlermeldungen durch die Hemmung eines

dominanten Einflusses (z.B. beim negativen

Priming). [Nebenbei bemerkt sollte man bei

solchen Funktionen nicht den großen Einfluß

11

der Motivation bei Konfliktlösung übersehen

vgl. Legende zu Abb. 1.] Diese Hirnareale

gehören zu Posner’s “anterior system of

attention’”.

Das posteriore System von Posner beinhaltet

hauptsächlich den Parietallappen, aber auch

den Pulvinaris und Colliculus superior im

subkortikalen Bereich28. Seit den Pionier-

studien von Mountcastle vor über dreißig

Jahren wissen wir von der Beteiligung der

Parietallappen bei den Registrierungen

extrapersonaler räumlicher Ereignisse19. Durch die fMRT-Untersuchungen wird die Rolle des

intraparietalen Sulcus und temporal-parietal

Grenzbereiche zunehmend deutlich. Eine

Aktivierung in diesem Bereich signalisiert die

Relevanz eines Reizes und daß sich eine

Umlenkung der Aufmerksamkeit lohnt. Das

kann bedeuten, daß man zuerst den Locus und

die Natur des Reiz bestimmt, und dann einen

anschließenden Wechsel von einem Reiz zu

einem anderen vornimmt. Bei Überlegungen zu den Aktivierungsloci in den Temporall-

appen sollte man nicht vergessen, daß es sich

nicht nur um das Ende der unteren zwei

Bahnarmen zur Übertragung von visueller

Information ins Gehirn handelt, sondern auch

um den Anfang einer Verbindung zu den

Bereichen in denen akustische Reize und

Informationen (die Sprachrelevant sind)

verarbeitet werden. Zudem gibt es

Verbindungen mit den Frontallappen, die für das gegenseitige “Monitoring” des

Verarbeitungszustandes in den anderen

Bereichen verantwortlich sind. Hier ist der

abschließende Schritt eines erfolgreichen

(oder nicht erfolgreichen) Aufmerksamkeits-

prozesses zu vermuten: Ein Vergleich der

Ergebnisse der Analysen in anderen

Hirnrindenbereichen mit einem gelernten

Muster (template). Eine Übereinstimmung

oder Nichtübereinstimmung bildet die

Grundlage für eine Entscheidung – fundiert auf

die “Wahl der Informationen” unseres Titels.

Anschließend wird die fokussierte

Aufmerksamkeit beibehalten oder es wird eine Umschaltung ausgelöst. Der Zweck ist ein

Gleichgewicht im adaptiven Verhalten des

Individuums.

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Figure 4 is reproduced from reference 20 with

the permission of the author (M-M. Mesulam)

and the Royal Society (London)